新工科背景下结构试验教学体系初探

潘权 易壮鹏

（长沙理工大学土木工程学院）

目前，高等学校的新工科建设已经处于实际实施阶段，国家层面提出了“复旦共识”“天大行动”和“北京指南”等，新工科注重培养学生创新能力、适应能力、综合素质，以满足未来新产业需要。土木工程建设产业逐渐向着智能化、集约化、模块化方向发展，这些土木工程建设项目都与土木工程材料、基本构件、结构体系有着密切的关系。在工程建设前，都要对材料、基本构件的力学性能开展研究，建设完成后又需要对结构体系进行整体评价，从整个土木工程建设全过程均离不开试验。在高校，为了加深学生对土木工程梁、板、柱、节点、索结构等基本构件概念、基本力学性能的理解，基本均开设了结构试验这门课程。通过熟悉结构试验全过程，引导学生深入理解基本材料、基本结构的物理、力学特性，调动学生学习的主动性和学习兴趣，加深对土木工程基本结构的力学特性的理解，潜移默化地提升学生的科研兴趣，并发展成爱好，这十分有益于实际动手能力的培养。于是，这些都突显了结构实验教学的重要地位和特殊意义。

一、已有结构实验教学中需改进之处

（一）课程实验项目设置简单、老旧

当前各土木高校结构试验基本上以基本构件的力学特性测试为主，常包括钢筋混凝土梁正截面破坏性试验、刚架受力性能试验、钢筋混凝土柱偏心受压试验、钢桁架梁受力性能实验，超声回弹测试混凝土强度试验，缆索支撑结构索力测试试验，在实验课程设置中，综合性的实验内容较少，且开设的实验多年未更新，对新设备、现代测试技术引入不足，学生缺少主动性，被动地接受实验安排，基本构件之间的联系及优缺点了解较少。且常由于实验场地和经费有限，不太可能大规模组织学生开设自我设计制作到测试全过程的教学，也很少开设现场实验。

（二）实验教学手段陈旧，学生被动学习

目前实验教学大致为课前预习、课堂讲解、学生实操、数据处理几个阶段，学生基本在老师全过程指导下完成实验报告的撰写，甚至为了实验报告好批阅，部分实验指导老师把整个实验框架全部搭建好，只让学生填空，学生自主性较差，实验报告千篇一律，教学手段相对陈旧落后。由于实验课程学时较少，部分实验项目在教学时间上完不成，例如对既有钢桁架梁、刚架、混凝土预制结构、既有索结构上进行加载试验前，老师均已提前将构件预制和准备好，应变传感器粘贴好，学生只需要接线读仪器，参与加载试验就行，试验完成后撰写实验报告，未能独立完成实验的全过程，不能充分发挥学生的积极性和学生的主观能动性，教学效果不理想。

（三）实验课时安排亟需优化

根据实际情况，部分实验课所需时间相对于其他实验较长（如：混凝土梁正截面破坏性试验、混凝土梁柱偏心受压性能试验），前期准备工作较多，由于每次分级加载需要较长的稳定时间，导致真实实验耗时与实验课时存在矛盾，这种时长不统一常利用周末或者晚上组织学生完成实验来解决，师生意见较大。

二、结构试验教学体系的探索思路

上述结构实验教学中需改进的问题，总的说来有如下的一些解决措施，部分学者已关注到这些问题开展了相关的研究，针对实验教学内容老旧、不连贯的不足，可以从基本实验、综合性实验和创新型实验三个层次开展结构实验教学的探索研究。

（一）以工程问题为导向、能力培养为目的，探索结构试验教学体系改革

土木工程教学为一个大体系，涵盖课程体系建设、专业建设、实践环节培养及大纲修订等诸多内容，把课时安排、考核评估、实验过程管理、指导老师工作量等全盘考虑管理，引入科学研究的最新成果、添置新的测试设备、加入测试新方法、增加新实验项目等，提高教学质量和创新人才培养模式，满足新工科背景下对学生的新要求。鉴于工程应用型、创新型人才的需求及现代土木工程的发展趋势，先进的实验教学理念“注重基础实验，强化工程实践，结合科研生产，激励技术创新”得到了坚持，长沙理工大学土木工程专业结构试验教学中心建立了一套多层次实验教学体系，核心在于坚持以协调发展的工程实践能力培养为主线，融知识传授、能力培养、素质提高；同时，在充分培养学生工程实践能力和创新意识的目标指引下，坚持科研反哺、工程实践促进、设备自主开发等一系列改革措施，坚持发挥学科优势、激励实验创新。

（二）探索结构试验教学新模式

以工程项目为教学内容，邀请科研项目负责人为理论指导老师，研究生为助教，探索采用实际工程中的结构开展结构试验新模式，结合常规结构试验教学的成果，加强基本结构的力学性能的认识，试验成果应用于工程实际，培养学生动手能力、综合分析能力。对于难以操作的实验，探索尝试用虚拟仿真试验进行教学。改进实验教材，实行实验课程模块化，将科研项目成果引入实验教学，整合实验项目，建立实验项目库，合理利用资源，建设开放型实验室，通过实验室开放部分实验设备，开设开放实验课，鼓励学生参与实验的整个过程，展开综合性实验，建立实训基地，联系工程师开展课堂教学等教学模式。虚拟现实技术进行数字化构建是环境、条件较复杂实验可资借鉴的手段，涵盖虚拟设计、虚拟操作、虚拟分析、3D打印技术的应用等。将实验项目按照从简单到复杂，循序渐进的思路，首先，结合专业、兴趣、特长、目的等选择贴近学生自身实际情况的实验项目；其次，受“生活超市”灵感的启示，采用开放式、自助式等“实验超市”模式管理实验室，具体内涵为包括各种材料、基本构件、组件、各种量具、机器设备、计算机、虚拟测试分析系统及各种实验仪器；再次，将单调的实验项目变得丰富多彩，基于实验超市平台充分调动本科生创新性、主动性和积极性，变“要我做”为“我要做”。另一方面，在实验教学中充分运用校园网络系统，通过实验教学、实验室管理平台的网络化协助网上教学，实现试验教学智能化。此外，多种学习资料以网页形式上传至“结构试验教学管理系统”，包括教学大纲、多媒体课件、实验预习指南等学习资料，甚至还可通过虚拟仿真实现部分实验指导、过程、步骤、方法的网络化，建立网络实验室。

（三）实验课程的模块化探索与全过程考核

将实验课程教学进行分块单元化与全过程考核，构建与探索实验课内容难、实验课堂效率较低、难以考核等难题。对于涉及到的混凝土梁斜截面破坏性实验、拱桥模型受力性能实验、工程结构动力特性测定试验、横向分布系数测定实验、影响线受力性能实验、框架结构模态试验、三维Labview仿真实验等实验，可以采取多种手段进行探索，如对实验过程合理分块、优化实验分组、鼓励设计创新和加强过程考核等，其最终目的在于提高学生完成实验的兴趣、积极性和独立性，提升教学效果。作为全面考查学生的知识掌握情况、动手能力和创新意识的实验课程，土木工程专业学生的考核采用三大块结合的方式，即平时成绩、实验报告和期末考试按1：2：2比例分配。

三、完善结构试验教学体系的实施方案

（一）增设综合性实验项目，分层设计教学形式，丰富教学内容

综合性实验的开设要能体现实验在工程中的应用，可考虑结构材料分类，展开针对不同结构材料类型的实验，包括：①钢筋混凝土结构（梁、板、柱）受力性能试验（含预应力结构）；②有机玻璃模型（铰接梁、刚接梁、单拱、多拱等）结构受力性能试验；③钢结构（桁架、刚架、索结构等）受力性能实验；④新材料、新结构受力性能试验；⑤虚拟仿真实验等，引导学生选用不同测试方法针对不同材料、构件开展实验，通过差异性的实验手段深入理解不同材料组成的结构的本质特征，更直观、准确区分不同结构材料导致的工程差异。例如，在钢筋混凝土结构受力性能的试验中，构件材料、材性实验、钢筋的加工、混凝土浇筑、养生、传感器的布置、试验加载方案的确定、测试系统的布置均是学生可以参与选择的对象，实验过程的描述直至报告编写全过程，让学生被动学改为主动学，指导老师参与实验全过程指导，给出评价分数。对于既有有机玻璃模型和钢结构模型，需要根据结构本身的特点，制订实验方案，完善实验步骤，布置测试系统，完成现场实验，提交报告。同时，鼓励利用实验室提供的新材料、设计新的结构，完成试验全过程，将单纯的验证性实验转化为设计型和综合性实验，以增强教学内容的实践性和创新性。例如增加高强度钢的性能实验，高性能混凝土制备及测试实验、扫描电镜引入材料微观的试验等。通过新增虚拟实验，达到“实验室”进课堂、“仪器”上讲台的目的，实现现场操作仪器、动态显示原理的要求。此外，课余还可通过“虚拟实验室”“实地”反复操作仪器，更进一步强化训练学生实践能力。

（二）以工程项目为依托，探索结构试验教学新模式

针对实验教学与工程实际脱节的问题，结合室内科研项目较多的现实情况，探索将教师科研项目引入结构试验教学中，由科研教师和实验室老师共同指导实验，可灵活机动地安排实验时间，甚至直接采用科研试验的构件完成实验，这样可以避免撰写实验报告时各组内容出现雷同的情况，使得报告更贴近工程实际，更加凸显土木工程试验的重要性，并培养学生的科研和动手能力。

（三）整合实验室现有设备和场地资源，建设开放型实验室

整合实验室现有资源，增加部分通用设备的台套数，规划实验场地，建立类似于大型试验超市实验室，学生可以根据实验任务自我挑选设备，选择实验场地，自由组合完成实验。多个结构试验项目采用的测试设备基本类同，例如应变采集系统，挠度测试系统，裂缝观测、动力测试系统等，可以在多个实验项目上重复使用，也不需要额外添置更多的仪器设备，故实施也具有可行性。实验室特定时间段对外开放，允许学生在课余时间对感兴趣的实验进行操作，老师则指导与协助学生完成操作，让学生有兴趣地开展一些有一定创造性的小实验。此外，教学计划以外仪器设备操作方法是学生必须知悉的内容，学生在教师指导下可以达到这一目的，使得学生可以进一步获取创新能力、开阔视野。

（四）探索实验课程全过程考评机制

为了使得学生能够从宏观、微观上更全面地了解实验全过程，可以通过过程合理分块、实验分组优化、鼓励实验设计创新和加强过程考核等措施进行探索，用以达到精准订单式培养的目的，最终实现提高学生开展实验的兴趣、积极性，同时提高实验教学的效果。分块模式与全程参与是综合实验教学的重要推进手段，分块模式是指准备阶段、设计阶段、实验阶段、分析阶段等阶段设计不同的任务，全程参与是学生参与实验的整个过程，涵盖构件制作、养生、安装等。实验老师的指导同样至关重要，在老师指导下学生设计实验方案、记录实验数据，可提出多种实验方案，在逐一比对的基础上进行数据处理，最终实现引导学生深入理解并获得最优实验方案的目的。全过程考核体系是提升实验质量的一个重要举措，其目的在于一方面促使学生完成模块化学习并掌握实验知识，另一方面提高全面考虑问题与处理突发问题的能力。例如，学生随机实验操作演示、现象原理描述等方式效果非常好，这些实验教学的全过程考核措施对土木工程专业的结构试验实验课程教学十分有益，对形成功能化单元、形成全过程考核体系至关重要。

四、实施效果

选取本院桥梁卓越班开展了结构试验新的教学模式的探索，全班共45个学生，在大三第一学期开设了结构试验这门32个学时的课。该课程共开设有机玻璃铰接梁模型横向分布系数测定实验、钢筋混凝土结构柱偏心受压性能试验、钢桁梁受力性能试验、钢筋混凝土梁正截面受力性能试验作为4个基本试验，要求学生均参与，提交试验报告，完成16个学时，其中混凝土构件要求在开学初学生参与梁和柱的尺寸设计、钢筋的加工、混凝土的浇筑，养生，学习完成相关理论知识后完成试验，学生普遍反映新的教育方式能加深对知识点的掌握，达到了较好的效果。有部分学生自主选择了钢筋混凝土梁斜截面受力性能试验、有机玻璃刚接梁模型横向分布系数测定实验、缆索支撑桥梁索力测试试验、刚架受力性能等试验，充分利用了实验室现有的设备自主开展了测试工作，完成了试验报告。有16个学生选取了超声回弹法虚拟仿真试验，提高了学习的积极性；有4个学生协助科研老师完成了扫描电镜对试件微观的测试试验，撰写了试验报告；14个学生选取了UHPC混凝土构件的配合比设计、试件制作、养生及测试工作，提交了试验报告，这些学生的科研爱好和兴趣得到了较好的培养，均表示要积极备考，参加硕士研究生的入学考试。45个学生均完成了规定的学时，加深了对知识点的掌握，也对比分析了不同材质、不同测试方法对试验结果的影响，完成了结构试验全部内容。学生的科研兴趣和动手能力、分析处理问题、团结协作能力等均得到了较好的培养，达到了预期效果。

五、结语

结构试验作为土木工程专业实践教学的重点内容之一，承载着对学生创新能力、适应能力、综合素质的培养责任，对加深理论知识的认识，培养应用型人才起着重要的作用。探索结构试验的教学体系的建构以及教学工作的开展方式，借此形成能充分发挥学生的主体作用，达到受教学生提升学习主动性、获得工程能力的目的，同时构建完整科学、适用的实践教学体系，使得新的结构试验的实践教学体系建设更符合新工科、业界对土木工程应用型人才的迫切需求。桥梁卓越班结构试验教学体系和模式的成功实施培养了学生的科研兴趣和动手能力、分析处理问题、团结协作能力，达到了预期效果，值得推广。